Arhitectura sistemelor de calcul
A.Frecvenţa ceasului intern
Yüklə 474,27 Kb.
|
A.Frecvenţa ceasului intern Funcţionarea microprocesorului este coordonată de un ceas intern al calculatorului. Ceasul intern este ca un oscilator care trimite în calculator pulsuri, la intervale egale de timp, bine determinate necesare pentru a comanda realizarea operaţiunilor programate şi sincronizarea tuturor funcţiilor calculatorului. Frecvenţa ceasului se măsoară în MHz. Valori des întâlnite sunt: 6, 12, 16, 25, 33, 40, 66, 100, 133, 166, 200 MHz. Cu cât această frecvenţă este mai mare cu atât microprocesorul este mai performant deoarece ea este direct proporţională cu viteza cu care microprocesorul execută instrucţiunile, deci cu viteza de lucru a calculatorului. Se consideră că un calculator este “lent” dacă are frecvenţa easului sub 16 MHz, “vioi” dacă are frecvenţa între 16-25 MHz, rapid şi foarte rapid la restul frecvenţelor. Pentru a ne da seama ce înseamnă competiţia, amintim că azi un Pentium la 200 Mhz este ceva obişnuit, ele putând ajunge la 233, 266 Mhz. B.Dimensiunea registrelor interne şi a magistralei de date Cu cât dimensiunea regiştrilor microprocesorului este mai mare, cu atât creşte viteza de lucru a acestuia, aceasta deoarece creşte capacitatea de memorare în interiorul microprocesorului (în regiştrii săi) şi deci numărul de operaţii de transfer cu memoria internă (care necesită timp) scade. De asemenea, dimensiunea magistralei de date influenţează viteza de lucru a microprocesorului întrucât debitul de date care circulă pe magistrală este direct proporţional cu dimensiunea acesteia. O magistrală de date îngustă poate gâtui un calculator, chiar dacă toate celellate componente sunt rapide. Dimensiunile tipice ale magistralelor sunt de 16, 32 şi 64 biţi. C.Tipul microprocesorului Pentru utilizator, o importanţă deosebită o are posibilitatea microprocesorului de a răspunde unor prelucrări căt mai diverse şi complexe. Acest deziderat este asigurat de microprocesorele care pot executa o gamă cât mai largă de instrucţiuni. Odată cu apariţia microprocesoruluui 8086, firma producătoare Intel a realizat şi o unitate specializată în operaţii în virgulă mobilă pentru a mări viteza de calcul a sistemului. Această unitate a fost numită coprocesor, primul pe piaţă fiind Intel 8087, destinat să lucreze atât cu microprocesorul 8086, cât şi cu 8088. Pe măsura apariţiei de noi microprocesoare s-au proiectat şi realizat şi coprocesoare pereche până la lansarea microprocesorului Intel 486 DX care are şi un coprocesor încorporat în acelaşi cip. La pornirea calculatorului BIOS-ul (Basic Input/Output System), o componentă a nucleului sistemului de operare, testează dacă este prezent coprocesorul şi, eventual, afişează rezultatul testului. Avantajul folosirii coprocesorului constă în faptul că pe lângă rapiditatea de execuţie a operaţiilor matematice permite ca în timp ce microprocesorul continuă să execute operaţia în curs în lucru, coprocesorul execută calculele necesare, rezultatele fiind apoi preluate de microprocesor. În schimb, dacă microprocesorul întâlneşte o instrucţiune ce necesită date preluate de la coprocesor, el trebuie să aştepte până când coprocesorul termină de efectuat calculele. Frecvenţa de ceas a coprocesorului trebuie să fie aceeaşi cu cea a microprocesorului pe care-l deserveşte.
Valorile tipice pentru capacitatea memoriei cache sunt: 64, 128, 256, 512 Ko. Astfel, de exemplu, Pentium Pro cu o frecvenţă de 150 MHz are o memorie cache de 256 Ko, în timp ce Pentium Pro de 166 sau 200 MHz au o memorie cache de 512 Ko. Dimensiunea memoriei interne ce poate fi accesată la un moment dat Valoarea maximă a memoriei adresabile este importantă în primul rând pentru că microprocesorul lucrează mult mai raoid cu memoria internă decât cu cea externă, iar în al doilea rând pentru că un program să poată fi executat trebuie să se găsească neapărat în memoria internă. Setul de instrucţiuni pe care un calculator le poate executa este în general caracterizat direct de tipul microprocesorului. Cu cât setul este mai bogat, cu atât mai multe domenii de activitate pot fi abordate. O instrucţiune sau o comandă transmisă de utilizator, prin program, conţine o serie de informaţii privind natura operaţiei sau funcţiei ce trebuie executată, operanzii care participă la realizarea operaţiunilor aritmetice sau logice, locul unde se află operanzii sau unde se vor depune rezultatele prelucrării, componentele sistemului ce trebuie activate pentru executarea operaţiunilor. Instrucţiunile din setul recunoscut de procesor pot fi grupate în: - instrucţiuni aritmetice; - instrucţiuni de transfer a datelor - generale, de conversie, de intrare/ieşire etc. - instrucţiuni de prelucrare a şirurilor; - instrucţiuni de manipulare a informaţiilor la nivel de bit; - instrucţiuni de control a programelor, salt condiţionat, salt necondiţionat, iteraţii şi întreruperi; - instrucţiuni logice (AND, OR, NOT, XOR, TEST), de deplasare şi rotire (stânga, dreapta şi dublu sens).
Funcţionarea corectă, pe o perioadă mai îndelungată a microprocesorului indică o fiabilitate soprită şi care raportată la costul acestuia constituie criteriile de decizie în alegerea unui anumit tip de microcalculator. Microprocesoarele se pot clasifica din mai multe puncte de vedere:
I.3.Memoria internă Memoria internă este o componentă principală principală a sistemelor electronice de calcul, având rolul de a păstra datele şi programele în formă binară pe toată durata de prelucrare a datelor participând împreună cu microprocesorul la efectuarea operaţiilor stabilite prin program. În evoluţia generaţiilor de calculatoare, mediile fizice care au stat la baza realizării memoriei principale au cunoscut o serie de modificări
Tabelul nr. I.1.Modificarea mediilor fizice Memoria internă este caracterizată de:
Dimensiunea memoriei interne este în strânsă legătură cu microprocesorul folosit. Ea se exprimă în Ko sau Mo. Cu cât se dispune de mai multă memorie internă, cu atăt performanţele calculatorului cresc. Timpul de acces reprezintă intervelul dintre momentul în care s-a emis o cerere de acces pentru citire sau scriere şi momentul când începe efectiv operaţiunea respectivă. Pentru transferuri rapide el trebuie să fie compatibil cu timpii impuşi de microprocesor. Se exprimă în mod obişnuit în microsecunde (ms) sau nanosecunde (ns). Modul de organizare şi de adresare a memoriei Din acest punct de vedere, memoria internă este structurată pe celule binare, locaţii, zone, partiţii, în funcţie de particularităţile tehnice ale acestora. Bit-ul este unitatea de prezentare a informaţiei în memorie (cu valoare 0 sau 1). Celula binară reprezintă circuitul electronic capabil să memoreze informaţii de un bit. Octetul reprezintă o succesiune de 8 biţi care pot fi adresaţi individual după adresa fiecăruia în parte. Memoria internă este organizată în părţi de dimensiuni egale, numite locaţii de memorie. Acestea constituie zone de memorie având asociate o adresă unică, iar conţinutul poate fi scris sau citit într-un singur ciclu de memorie.8 Locaţiile de memorie sunt numerotate crescător, pornind de la 0 până la limita superioară ce indică ultima locaţie adresată (de exemplu, pentru memoria de bază adresa are valori de la 0 la 64000, ştiind că ea dispune de 640 Ko). Aceste “etichete” corespunzătoare locaţiilor de memorie se numes adrese de memorie. Adresa de memorie este deci un număr natural reprezentând o informaţie care facilitează identificarea locului unde se află locaţia de memorie pe care dorim să o accesăm. În mod obişnuit, memoria ointernă este privită ca o succesiune de locaţii de memorie cu dimensiunea de 1 octet, conţinutul locaţiei fiind tratat ca o entitate de informaţie. O succesiune de mai multe locaţii formează o zonă de memorie. Locaţia de memorie care desemnează o informaţie de 1 octet nu trebuie confundată cu noţiunea de cuvânt de memorie care poate să însemne o informaţie de 2, 4 sau 8 octeţi. Dimensiunea cuvântului de memorie este în strânsă legătură cu elementele constructive ale calculatorului şi reprezintă unitatea elementară pentru memorarea şi accesarea instrucţiunilor, operanzilor şi adreselor. Dimensiunea cuvântului de memorie poate fi de 2, 4 sau 8 octeţi.
Memoriile ROM au evoluat în timp, prin folosirea tehnicilor speciale de ştergere selectivă şi reprogramare, astfel:
I.3.2.Memoria RAM Memoria RAM (Random Acces Memory) este de tip volatil deoarece la pierderea tensiunii informaţia din celulele de memorie se distruge. Memoriile RAM sunt utilizate ca memorii de program şi date şi se pot clasifica astfel:
Memoriile SRAM sunt şi ele de două tipuri: memorii bipolare şi memorii MOS statice. Memoriile RAM bipolare realizate cu tranzistoare bipolare permit citirea/înscrierea informaţiei în memorie. În general, aceste memorii sunt mai rapide decât memoriile MOS statice, dar consumă o putere mai mare. Sunt utile în cazul în care se doreşte o viteză de lucru mare. Memoriile MOS statice realizate cu tranzistoare MOS sunt folosite în cazul în care se doreşte obţinerea unei capacităţi mari de memorie. La memoriile DRAM (Dynamic RAM), funcţionarea se bazează pe înmagazinarea, într-un timp finit, a unei sarcini electrice pe un condensator. Celulele de memorie dinamică au ca suport fizic starea de funcţionare a unui tranzistor MOS (Metal Oxide Semiconductor). Pentru obţinerea unor module de memorie RAM din circuite DRAM este necesar folosirea unor interfeţe formate din circuite suplimentare de reîmprospătare şi de adaptare. Pentru capacităţi mici de memorie, interfaţările au fost integrate pe un cip comun cu circuite de memorie, obţinându-se circuitele IRAM (Integrated RAM), iar pentru capacităţi mari de memorie interfaţările au fost integrate separat prin circuite specializate. Static RAM (SRAM) este un tip de memorie mai rapidă (de 3 până la 10 ori) decât memoria dinamică Dynamic RAM care echipează PC-urile. SRAM este utilizată pentru memoria cache. Pentru determinarea vitezei necesare SRAM corespunzătoare unui anumit PC, se va împărţi numărul 1 la frecvenţa procesorului. Astfel, dacă pentru un calculator cu 486DX2/66, este necesară o memorie SRAM cu un timp de acces de 1/66000000s, deci de 15 ns. Pentru un Pentium la 120MHz timpul de acces va fi de 1/120000000s, deci de 8 ns. EDO RAM (Extended Data Output) este un nou tip de RAM a cărui principală proprietate este aceea de a menţine datele la dispoziţia procesorului, chiar după iniţierea unui nou ciclu de acces la memorie. Această modalitate de acces suprapusă permite să pară mai rapidă decât este de fapt. Creşterea performanţelor prin folosirea acestui tip de memorii este evaluată la 15%. Sunt construite similar cu DRAM-urile, lucrează însă cu 20% mai rapid, pentru că preiau o parte din munca controlerului de memorie. Acest lucru este posibil pentru că noile cipuri de memorie au o zonă pentru memorarea intermediară a datelor. În prezent, această memorie este concurată de SDRAM. Furnizorii de componente se orientează deja către tehnologii mai noi al căror obiectiv este de a răspunde nevoilor crescânde ale procesoarelor, cum sunt RDRAM şi MDRAM. Memoria, precum şi microprocesorul sunt cip-uri obţinute printr-o tehnologie specială, numită CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors). Această tehnologie se bazează pe combinarea a două tipuri de semiconductori, PMOS şi NMOS. Ele consumă extrem de puţină energie şi constituie memorii RAM. În felul acesta ele pot fi alimentate de la baterie. Este motivul pentru care parametrii de configurare ai PC-ului sunt păstraţi înn memoria CMOS. Memorii RAM statice nevolatile (NVRAM) Circuitele de memorie RAM nu pot păstra informaţia înmagazinată în cazul dispariţiei tensiunii de alimentare. Acest dezavantaj poate fi înlăturat prin cuplarea unei memorii RAM cu o memorie EEPROM, astfel încât, în cazul dispariţiei tensiunii de alimentare informaţia din RAM să fie transferată în EEPROM, asigurarea unei alimentări de la surse suplimetare (baterii) fiind necesară doar în timpul scurt în care s-a efectuat transferul de date. La revenirea tensiunii de alimentare, o comandă determină transferul invers al datelor din EEPROM în memoria RAM. Mai nou, Universitatea din Köln a dezvoltat o metodă de stocare optică a datelor pe plăci de cristal. Informaţia este scrisă într-un strat de cristal. Sistemul este perfect stabil şi poate fi scris de mai multe ori. Viteza de acces la Cristal RAM este cu câteva sute de ori mai mare decât la un harddisc obişnuit. Se pot obţine astfel capacitţi de 300 bilioane de biţi pe centimetru pătrat. Cracteristicile memoriei RAM sunt:
Memoria RAM se prezintă sub forma unor SIMM-uri ( plăcuţe alungite pe care sunt lipite cipuri) cu 30 sau 72 de pini. Ultimele SIMM-uri sunt folosite în sistemele produse în precedenţii doi ani. Cele cu 30 de pini nu vor putea fi folosite într-un mediu Pentium.10 Abrevierea SIMM vine de la Single In-line Memory Module. SIMM-urile pe 72 de pini sunt mai performante şi mai economicoase datorită capacităţii de date ce poate fi stocată pe un singur asemenea SIMM, până la 256 MB şi a flexibilităţii configuraţiei în funcţie de celelalte SIMM-uri aflate în calculator. Pe placa de bază trebuie să fie configurate 4 sloturi SIMM de 72 pini. Sloturile sunt conectori care fac legătura între plăci şi mainboard (placa de bază). Sunt prezente sub forma unor clame în care se înfing terminaţiile metalice ale plăcii. Rolul slotului este facilitarea transferului de date cu unitatea centrală. In cazul SIMM-urilor de 72 pini este nevoie de 64 pini pentru cei 64 biţi ce pot fi accesaţi în acelai timp, iar 8 biţi sunt biţii de paritate ai celor 8 bytes.11 I.4.Memoria cache Memoria cache semnifică memoria ascunsă. Acest tip de memorie este prezent începând cu calculatoarele din generaţia a IV-a. Soclul pentru memoria cache există pe plăcile de bază ale generaţiei 486 şi următoarele. Ideea de memorie cache s-a născut mai demult. S-a observat de-a lungul timpului că se tot accesează aceeaşi porţiune de memorie (RAM sau disc) de mai multe ori fiind astfel nevoie de un timp lung de aşteptare pentru reobţinerea ei (recitirea acesteia din memorie). Pentru a nu se mai pierde timp cu aceste citiri “lente”, s-a creat un anumit tip de memorie, unde informaţia cea mai des utilizată să fie stocată pentru a putea fi procurată mult mai uşor decât în cazul accesării ulterioare. Proprietatea de bază a memoriei cache este timpul de acces foarte mic, incomparabil cu timpul necesar obţinerii informaţiei respective în alt mod. Această memorie cache este accesibilă utilizatorului în mod direct, ea lucrând practic transparent pentru utilizator, deci nu poate fi folosită şi ca memorie RAM. De aceea a primit şi numele de memorie cache, memorie ascunsă. Memoria cache s-a extins, apărând astfel şi la harddisc-uri, la controler-e etc (pe baza aceluiaşi concept, de reobţinere mult mai rapidă a informaţiei cea mai des folosită). Pe placa de bază, memoria cache poate apărea în mai multe feluri:
Memoria cache poate fi de două niveluri:
Controlerul de cache şi memorie comandă accesul la cache-ul second level de pe placa de bază. Memoria cache este compusă din module SRAM foarte rapide, care memorează datele intermediar. În cazul în care procesorul cere date, controlerul verifică pentru început dacă informaţiile sunt depuse doar în memoria cache. Dacă nu este cazul, procesorul trebuie să se adreseze memoriei DRAM sau harddisc-ului. Controlerul de memorie reglează întreaga comandă a busului pentru transferul de date între procesor, memoria cache (SRAM)), memoria principală (DRAM) şi busul PCI (de exemplu, pentru că el este de mai multe tipuri: ISA, VESA, MCA).13 Memoria cache este o punte între memoria RAM sensibil mai lentă dar mai ieftină şi procesorul rapid. Din punct de vedere al administrării şi utilizării, memoria internă este identificată prin următoarele componente:
Memoria de bază este formată din primii 640 Ko din memoria RAM, fiind componenta de bază a memoriei interne, fără de care nici un calculator nu poate funcţiona. Ea reprezintă partea din memoria internă unde se execută majoritatea programelor-utilizator şi unde se încarcă sistemul de operare la pornirea calculatorului. Memoria superioară urmează memoriei de bază şi ocupă o zonă de 384 Ko (641la 1024). În mod curent, programele-utilizator nu au acces la această zonă. Ea este împărţită astfel:
Memoria extinsă este aeea parte a memoriei ce poate fi adresată peste 1 Mo, fiind specifică procesoarelor începând cu tipul I 80286 şi mai puternice. Memoria extinsă este frecvent utilizată de produsele soft moderne care solicită volume mari de memorie. Primii 64 Ko ai memoriei extinse se numesc memoria înaltă (Upper Memory Block) în care rulează o parte din programele sistemului de operare MS-DOS dacă în fişierul CONFIG.SYS a fost specificată comanda DOS=HIGH. Atunci când se lucrează cu memoria extinsă, microprocesorul este supus unor protocoale prin care se trece din modul de lucru real în modul de lucru protejat. Aceste protocoale sunt puse la dispoziţia utilizatorului fie independent, fie însoţind anumite programe care solicită memoria extinsă. Sistemul de operare MS-DOS pune la dispoziţia utilizatorului managerul de memorie extinsă HIMEM.SYS care instalat în fişierul CONFIG.SYS asigură lucrul cu memoria extinsă. Memoria expandată este o memorie suplimentară care apare datorită utilizării incomplete a memoriei superioare. S-a constatat că în BIOS există zone libere, programele nefiind alipite unul de celălalt. Aceste porţi au fost folosite pentru a instala pe calculator memoria expandată. În cazul acestei memorii pot fi stocate, într-un volum limitat, programe şi date. Aceste date şi programe sunt constituite în blocuri (bancuri) de memorie a căror număr se memorează într-un registru al microprocesorului, ele fiind introduse pe rând în zonele libere din memoria superioară. Mărimea acestei memorii este limitată de capacitatea registrelor II.Sitemul de intrare-ieşire şi dispozitivele periferice Cum se transmit informaţiile în interiorul calculatorului? În interiorul calculatorului informaţia se transmite codificat, în format binar. Deci, în interiorul calculatorului informaţia circulă sub forma unui şir de biţi. Singura componentă hardware a calculatorului care face diferenţiere între programe şi date este procesorul. Pentru celelalte componente, informaţia este un şir de biţi fără nici o semnificaţie informaţională/ Între cele trei mari componente hardware ale calculatorului, informaţia circulă pe magistrală (bus). Magistrala se defineşte ca mulţimea conductoarelor folosite în comun de mai multe unităţi funcţionale pentru realizarea unor sarcini pe care informaţia circulă sub formă de impulsuri electrice cu două niveluri de tensiune cărora le corespunde cele două cifre binare 0 şi 1. După natura informaţiilor care circulă, magistralele pot fi de adrese, de date sau de semnale de control, după cum semnalele respective reprezintă adrese, date sau comenzi şi informaţii despre starea unităţilor interconectate. Liniile folosite pentru transferul datelor între microprocesor, memorie şi dispozitivele de intrare/ieşire formează magistrala de date. Această magistrala este bidirecţională - pe ea intră date atunci când se efectuază o citire din memorie sau de la dispozitivele de intrare/ieşire şi ies date la efectuarea unei scrieri.
Yüklə 474,27 Kb. Dostları ilə paylaş:
|